[06-2009] Эффективность продольной емкостной компенсации повышена

[Admin]

Эффективность продольной емкостной компенсации повышена

Опыт Горьковской дороги

С развитием тяжеловесного и скоростного движения в системе тягового электроснабжения переменного тока потребовалось разработать и внедрить установки продольной емкостной компенсации (УПК). Они являются мощным средством повышения пропускной способности железнодорожных линий. Предлагаем вниманию наших читателей опыт использования УПК на Горьковской дороге, а также предложения по их усовершенствованию.

СХЕМА ПЕРЕКЛЮЧАЕМОЙ УПК НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ

В 1972 — 1980 гг. на Горьковской дороге в цепи отсоса тяговых подстанций были включены 18 стационарных и передвижных УПК мощностью 2... 2,5 Мвар. В те годы это решило проблему повышения напряжения на подстанциях с силовыми трансформаторами 20 MB-А. После их перевода на трансформаторы 40 MB A и последовавшего спада тяговой нагрузки часть УПК была отключена для экономии эксплуатационных расходов. Однако в настоящее время задумались о их реконструкции и вводу в строй.

На подстанциях Ацвеж и Лянгасово грузонапряженного северного хода дороги остались в работе стационарные УПК. Они обеспечивают стабильный режим напряжения в контактной сети. В частности, на подстанции Ацвеж (мощность короткого замыкания — к.з. — на шинах 110 кВ достигает 800 MB-А) с трансформаторами 40 MB A установлена переключаемая УПК (рис. 1), содержащая шесть блоков конденсаторов Сб. В блоке включены параллельно семь конденсаторов КСП-0,66-40. Параметры конденсатора КСП: мощность —40 квар, номинальное напряжение — 0,66 кВ, номинальный ток — 60,6 А, сопротивление — 10,9 Ом. Конденсаторы допускают перегрузку до 190 % длительностью 9... 18 мин.

Суммарная мощность УПК подстанции Ацвеж составляет 1,68 Мвар, число параллельно включенных конденсаторов — 14, последовательно включенных рядов — 3, т.е. это схема УПК Зх(7х2). Номинальный ток УПК — 850 А. На схеме (см. рис. 1) включен разъединитель Р1 и отключен разъединитель Р2. При подсоединении второго трансформатора включается разъединитель Р2, а Р1 отключается. УПК переключается по схеме 2х(7хЗ). Номинальный ток увеличивается до 1275 А.

Разъединители переключают только при включенном вакуумном выключателе ВВ. Для автоматизации пересоединений разъединители должны быть оснащены моторными приводами. Главная особенность этой схемы состоит в том, что в обоих режимах УПК в работе остаются все конденсаторы, что повышает ее эффективность. В перспективе после реконструкции подстанции мощность УПК увеличится до 3,2 Мвар.

Целесообразность УПК на тяговой подстанции определяется, в первую очередь, мощностью к.з. SK 3. на шинах 110 (220) кВ. При SK3 = = 1500 MBA по технико-экономическим соображениям на подстанциях с трансформаторами 40 MB A выгодно включать УПК.

Однако на тяговой подстанции Лянгасово, где SK-3. равна 2500 MB A, УПК включена по следующим причинам. Один трансформатор работает на тягу, второй — на районный потребитель, третий (резервный) подключают при повышении тяговой нагрузки. Так, суммарный расход энергии за один из интенсивных месяцев (декабрь 2007 г.) составил почти 20000 МВт-ч. Около 40 % пришлось на районные потребители. Для суммарной тяговой нагрузки коэффициент реактивной мощности tg(p = 0,788.

Данная подстанция совместно со смежными обеспечивает двухстороннее электроснабжение контактной сети. Отстающая фаза питает семь фидеров, включая крупный железнодорожный узел.

Коэффициент мощности ее суммарной нагрузки составляет 0,6... 07 (tgcp = 1,34... 1). Опережающая фаза питает двухпутный магистральный участок.

В связи с указанным, на подстанции существует постоянный «перекос» напряжений между фазами. При больших нагрузках он достигает 2... 3 кВ и более. В этом главная причина включения УПК в цепь отсоса для симметрирования напряжения на шинах 27,5 кВ.

Наилучшие результаты в симметрировании получают, когда сопротивление УПК равно сопротивлению фазы подстанции: Хп = Хт + Xs, где Хт и Xs — сопротивления трансформатора и системы внешнего электроснабжения (Хп = 2,6 Ом). Допускается увеличивать Хс до 1,5Хп.

На подстанции Лянгасово включена переключаемая УПК мощностью 2,16 Мвар, состоящая из шести блоков Сб. В каждом блоке установлены девять параллельно соединенных конденсаторов КСП-0,66-40. Если на подстанции включен один трансформатор, то УПК собрана по схеме Зх(9х2) (всего 54 конденсатора). Для этого разъединитель Р1 включают, а Р2 отключают. Номинальный ток УПК —1091 А, сопротивление Хс = 1,8 Ом. При подключении второго трансформатора включают разъединитель Р2, а Р1 отключают. УПК переключается по схеме 2х(9хЗ), номинальный ток увеличивается до 1636 А.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ УПК НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ

Измерения при большой нагрузке на отстающей фазе при токе 800 А показали, что напряжение в ней после включения УПК увеличилось с 25,5 до 27,5 кВ (первая строка в приведенной таблице). Разность напряжений SU отстающей U0j и опережающей U0n фаз снизилась с 2,7 до 0,5 кВ. Для сравнения укажем, что типовая фильтрокомпенсирующая установка УФК (НИИЭФА-Энерго) на тяговой подстанции повышает напряжение всего на 0,6 кВ, что указывает на эффективность УПК в повышении напряжения.

С увеличением нагрузки напряжение на опережающей фазе снижается с 28,3 до 28 кВ (вторая строка, измерения произведены при кратковременной перегрузке трансформатора и УПК), а на отстающей увеличилось с 25,1 до 27 кВ. Это свидетельствует об эффекте стабилизации напряжения и снижении перекоса напряжений фаз.

Важно отметить, что указанные результаты получены при недостаточной степени компенсации из-за дефицита конденсаторов (сопротивление Хп = 1,8 вместо оптимального значения 2,6 Ом). В настоящее время в связи с увеличением тока нагрузки и для повышения степени компенсации реактивного сопротивления трансформатора и сопротивления внешнего электроснабжения планируется реконструкция УПК с увеличением ее мощности до 4,8 Мвар. Номинальный ток при одном включенном трансформаторе увеличивается до 1212 А, сопротивление — до 3,27 Ом. Для этого мощности блоков конденсаторов увеличиваются: число конденсаторов возрастает до 20.

Выполненный расчет для УПК этой мощности (третья строка) также свидетельствует о повышении напряжения в отстающей фазе с 25,1 до 28,3 кВ и снижении разности напряжения по плечам питания до 0,5 кВ.

На тяговой подстанции Лянгасово работает устройство регулирования напряжения трансформатора (АРПН). Поэтому напряжение 28,3 кВ будет снижено до 28 кВ (в соответствии с уставкой АРПН по напряжению).

При включении УПК в цепь отсоса следует учесть, что в напряжении плеча питания от отстающей фазы компенсируются потери напряжения от тока опережающей фазы плюс потери напряжения от своего тока на сопротивлении одной фазы подстанции. Однако полные потери напряжения определяются составляющей потери напряжения от тока отстающей фазы, умноженной на удвоенное сопротивление. Поэтому оставшаяся нескомпенси-рованная часть потерь напряжения от тока отстающей фазы компенсируется за счет повышения напряжения с помощью РПН (АРПН).

Что касается напряжения опережающей фазы, то включение УПК в отсос, как правило, мало влияет на потери напряжения этой фазы и даже незначительно увеличивает их с целью симметрирования. Таким образом, совместное применение УПК и РПН (АРПН) трансформаторов позволяет получить новый положительный эффект: симметрирование напряжения улучшает работу РПН (АРПН), а использование РПН (АРПН) в регулировании напряжения уменьшает мощность УПК

Обобщая большой опыт проектирования и эксплуатации УПК в тяговых сетях, можно указать, что, во-первых, из всех известных способов регулирования напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока УПК является самым эффективным вариантом повышения и стабилизации напряжения на тяговой подстанции. Во-вторых, переключаемые схемы УПК (см. рис. 1), включаемые в отсос тяговой подстанции, обеспечивают наибольший прирост напряжения на каждый 1 Мвар мощности УПК: 0,7... 0,8 кВ/Мвар при больших (максимальных) нагрузках. Этот показатель может быть ориентиром при разработке и проектировании новых схем УПК. То есть для новых схем он должен быть не меньше указанного.

Кроме того, симметрирование напряжения на шинах 27,5 кВ решает проблему повышения качества электроэнергии для питания устройств автоблокировки и электрической централизации, линии ДПР-27,5 кВ и повышения эффективности работы РПН (АРПН) трансформаторов. И, наконец, взаимодействие УПК и РПН (АРПН) и их рациональная настройка позволяют снизить уравнительные токи в тяговой сети (см. «Локомотив» № 4, 2007 г.).

СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ ЗАЩИТА УПК

УПК может надежно работать только при наличии сверхбыстродействующей защиты конденсаторов (время срабатывания не более 1... 2 мс) от сквозных токов к.з. в контактной сети. Такая защита разработана специалистами Российского государственного открытого технического университета путей сообщения (ранее — ВЗИИТ) и Горьковской дороги. По проектной документации ПКБ ЦЭ на Московском энергомеханическом заводе МЭЗ изготовили 86 комплектов защит БЗК-2Б.

От одного ряда конденсаторов С (рис. 2) через ограничительный резистор R и тиристорный ключ ТК напряжение поступает на низковольтные обмотки двух последовательно соединенных запальных трансформаторов ИТ (используются трансформаторы ОМ-1,2). Высоковольтные обмотки этих трансформаторов включены встречно.

При сквозном к.з. (на рис. 3 оно началось в момент ti) нарастает напряжение на конденсаторах (кривая 6). При достижении напряжения уставки иуст (момент t2) срабатывает тиристорный ключ. Практически мгновенно (менее чем за 1 мс) поджигается трехэлектродный разрядник ТГ (тригатрон, см. рис. 2). Дуга на главных контактах три-гатрона горит до момента t3 (кривая 1), когда включается вакуумный выключатель ВВ (примерно через 0,03 с). В частности, на подстанции Лянгасово в 2007 г. защита срабатывала 137 раз. За многие десятилетия повреждений защиты ЗПК-2Б не было. В настоящее время целесообразно заменить трехэлектродный разрядник на управляемый трехэлектродный вакуумный разрядник, разработанный во бсероссий-ском электротехническом институте.

Чтобы ускорить работу защиты, на тиристорный ключ ТК подают токовые цепи от трансформатора тока. Дополнительный запуск тиристорного ключа по току, опережающего напряжение на конденсаторах, обеспечивает срабатывание защиты при напряжении, на 10... 20 % меньшем уставки тиристорного ключа (в момент осциллографирования на рис. 3 токовый запуск тиристорного ключа был отключен).

Приведенная осциллограмма свидетельствует о том, что напряжение на конденсаторах при сквозном к.з. не превышает напряжения уставки защиты, т.е. кратности в 2,5 от номинального напряжения конденсаторов. Отметим, что для таких конденсаторов допустима перегрузка кратностью в 4,25 и длительностью 0,2 с. Этим объясняется надежная работа УПК с рассматриваемой сверхбыстродействующей защитой.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ УПК

Опыт эксплуатации показывает: чтобы повысить надежность и эффективность работы УПК, их необходимо оснастить дополнительной аппаратурой. Рассмотрим возможные варианты.

Прибор контроля максимальных токов и износовых характеристик конденсаторов. На УПК следует установить статистический прибор контроля максимальных значений токов, которые сравниваются с перегрузочными характеристиками конденсаторов. В результате эксплуатационный персонал будет своевременно информирован, следует ли увеличивать или уменьшать номинальный ток УПК. Одновременно прибор должен контролировать износовые характеристики конденсаторов, чтобы можно было прогнозировать скорость старения конденсаторов. Макет такого прибора успешно опробован на дороге.

Прибор контроля входного сопротивления подстанции. Его необходимость диктуется значительным отличием в ряде случаев входного сопротивления, заданного энергосистемой (мощностью к.з.), от реального значения, а также постоянным изменением этого параметра в зависимости от режима питающих сетей 110 (220) кВ. Данный показатель определяет мощность УПК. Схемные решения такого прибора известны, кроме того, возможно совмещение рассматриваемых функций в одном устройстве. Если предыдущий прибор уточняет номинальный ток УПК, то второй корректирует сопротивление УПК. На наш взгляд, изготовление и оснащение указанной аппаратурой дистанций электроснабжения под силу предприятию-изготовителю УПК — НИИЭФА-Энерго.

Опыт работы УПК на Горьковской в отсосе тяговой подстанции свидетельствует об их эффективности в повышении и стабилизации напряжения, что особенно важно при развитии тяжеловесного и скоростного движения на железных дорогах. При этом для двухтрансформаторной подстанции с трансформаторами 40 MB А мощность УПК, как правило, не будет превышать 5... 7 Мвар.

К сожалению, отсутствие нормативных документов для проектных организаций и эксплуатационников по расчету и размещению УПК в системе тягового электроснабжения, неотработанные параметры опытной партии УПК НИИЭФА-Энерго сдерживают широкое внедрение устройств продольной компенсации.

Д-р техн. наук Л.А. ГЕРМАН, профессор Нижегородского филиала МИИТ

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin